液压系统复合控制的仿真和应用.pdf

总第 1 6 1 期 2 0 1 6年 第3期 山两冶 金 SHANXI METALLURGY To t a l 1 61 No． 3．20l 6 试 实 验研究 DOI 1 0 ． 1 6 5 2 5 0 ． c n k i ． c n 1 4 - 1 1 6 7 ／ ff． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 8 液压系统复合控制的仿真和应用 张强 ， 马 曼 中国重型机械研究院股份公司， 陕西西安7 1 0 0 3 2 摘要以中国重型机械研究院股份公司实际设计并制造的一台拉伸矫直机主液压系统的复合控制为例，结合 Hv P 。 中主液压系统主要元件的实际参数， 重新构建该系统及其控制部分并进行仿真。仿真结果与实际采集的数 据曲线之间的比较分析表明 采用Hy P n e u 软件仿真出的结果能较为准确地反映系统的实际运行情况。该结果可为 类似泵控缸 阀控缸的复合控制 系统的设计和调试指明方向。 关键词 复合控制Hy P n e u n 仿真 中图分 类号 T P 2 7 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 6 0 3 0 0 2 2 0 4 随着机械设备在高精度 、大负载方面的发展 ， 其 采用的液压缸径越来越大 、 工作压力越来越高 ， 因此 对驱动机械设备的液压系统性能要求也越来越高。 与 纯粹的伺服 比例 阀控制液压缸或伺服 比例 泵控 制液压缸力 式相 比， 由泵控缸 阀控缸组成的液压系 统复合控制使液压伺服系统在具有流量大 、效率高 、 稳定性好 、 调节范围广等优点的同时 ， 还能实现系统 的快速动态响应和高位置控制精度 ， 尤其适用于为大 负载 、 高精度拉伸矫直机提供主要动力的液压伺服系 统 ，已成为未来很长一段时间内液压技术发展的趋 势。 目前 ， 对液压系统复合控制的设计 、 调试是通过现 场反复修改控制参数获得的， 无法在事前知道如何优 化控制参数才能使对液压系统的复合控制更加精确 、 快速 、 平稳。H y P n e u仿真软件是一款集液压 、 气动为 一 体的流体动力 与运动控制仿真软件 ， 不需要工程技 术人员过多了解元件的内部结构尺寸， 只需通过样本 中元件 的各种性能曲线 、 数据就能输入模型的设计参 数并完成对液压系统的仿真模拟， 具有输入参数史容 易和仿真结果更精确的特点。 本文以中国重型机械研 究院为某单位设计并制造的 3 0 MN拉伸矫直机主液 压系统 中的复合控制为例 ， 通过 H y P n e u仿真软件得 出对设计 、调试液压系统复合控制具有指导性的结 论 ， 以期对 以后类似液压系统复合控制 的设计 、 调试 发挥一定的实用意义。 收稿 日期 2 } 1 6 0 1 2 2 第一作者简介 张强 1 9 7 8 一 ， 男， 工程硕士， 现从事冶金机械 设备 液压方面的设 计与研 究 ， 工程师 ， 1 Hy P n e u仿真参数的转化和输入 3 0 MN拉伸矫直机的主液压系统 中共有两个液 压缸 ， 分别布置于拉伸矫直机 的操作侧和非操作侧 。 每侧液压缸均采用三个 比例泵和一个伺服阀单独进 行复合控制 ，通过 比例调压阀调节主液压系统工作 压力的大小 。 在 H y P n e u仿真软件中构建主液压系统原理图。 主液压系统主要元件在样本或制造商提供的性能参 数经转化后，输入到 H y P n e u 仿真软件中的参数n ] 如表 1 一表 5所示 。 表 1 主液压系统比例泵本体 的性能参数 排量 ／ 丁作介质 mL 黏度 ／ 容积效 率系数 机械效率 工作温度 清洁度 ／ ％ 系数 ， ％ 范 围 ／ ℃ mi n mm 2 s 一 0 A一 l 8 ／ 1 5 GB／ T l 2 5 4 6 9 8 -2 5 ～9 0 l 4 O 3 9 9 7 1 ． O 6 6 2 0 0 2 表 2主液压 系统 比例 调 压 阀的性 能参 数 开启压力 最 大流量 最大流量 额定最大 最大 开启 死 区体积 死区开启 时的压力 信号 ／ ％ 压力 ／ ％ 压力 ／ MP a ／ L ‘ ra i n‘ 、 ／ MP a ／ MPa ／ MP a 2 6 1 2 2 3 4 l O O 31 ．5 5 1 ． 5 7 5 表 3主液 压 系统 溢 流 阀的性 能参 数 开启压力 ／ M P a 线性 范围内的最大流 线性范 围内的最大流 量 ／ L rai n 。 。 量时 的压 力 ／ MP a 2 6 3 2 8 5 ． 6 4 41 ．58 表 4主液压 系统伺服 阀的性能参数 油 口问的 到 T口的 额定最 零流量 正常流 正 常流 饱和流 流 量系数 ／ 泄漏系数 零 流量 量 区体 量 区增 量区增 f I _ mi n - 1 ／ L mi n l 大电流 区体积 区增益 ／ mA ／ ％ 积 ／ ％ 五 衄 MP a m MP l 3 4 0 ． 01 6 7 8 5 0．4 6 9 5 1 0．4 6 2 0 1 6年第 3 期 张强， 等 液压系统复合控制的仿真和应用 表 5 主液压系统其他元件的性能参数 A1 3 3 ． 3 3 比例 阀 系数 曰 0 0 方 向 油口间的流量系数 1 7 7 0 插装 阀 ／ L m i n MP a m 日l 0 ． 0 01 7 活 塞直径 ／ m m 9 4 5 活塞杆直径 ／ m m 3 5 0 比例 泵 转速 ／ 驱动电 1 4 8 0 液压缸 活塞杆 长度 ／ m m 1 1 7 9 0 机 r m i n 活 塞行程 ／ mm 1 2 0 0 质 量块质 量 ／ N 21 5 60 o 0 2 复合控制的原理 拉伸矫直机工作时通过操作侧和非操作侧的液 压缸共 同拉伸板带 。当两侧液压缸出现不同步现象 时，通过比例泵或伺服阀进行位移补偿来实现两缸 的同步拉伸[ 4 3 。假设操作侧液压缸 的速度为 位 移为 ， 非操作侧液压缸的速度为 位移为 ， 位移差值为△ m I X 。 一 X I 。若两液压缸的起始位 移相等 ， 预设不 同补偿工况的临界参数为 神 ～ 且 rr0 2 加 O 。当△ ≥ 棚 。 时， 采用伺服阀补 偿 ；当两液压缸 的位置差为 A X ≥x 且 △ 棚 时 ， 采用 比例泵补偿 ； 当两液压缸的位置差 为 A X ≥ 棚时， 认为无法通过补偿实现两液压缸 同步 ， 不再 进行补偿。 补偿信号直接叠加在输入信号时可采用两 种补偿方式。采用比例泵补偿时， 补偿信号为原输入 信号的 K 。 倍 ，即补偿后的输入信号变为原来的 l 。 倍； 采用伺服阀补偿时分两种情况。 以伺服阀供 油 、 伺服 阀补偿时， 补偿信号为原输人信号的 K 倍 ， 即补偿后的输入信号变为原来的 1 倍； 以比例泵 供油、 伺服阀补偿时， 补偿信号为伺服阀最大输入信 号的K ’ 倍同 。 3 仿真结果与实际数据 曲线的比较 通过 H y P n e u 软件进行仿真复合控制的过程中， 当两侧液压缸位置差为 0 ． 8 mmA X m 3 mm时 ， 以比 例泵提供基本流量。采用 比例泵进行流量补偿时两 侧液压缸 操作侧和非操作侧 的位移 、 速度 、 拉力仿 真曲线如图 1 一图 3所示。 比例泵控制液压缸 回路的 控制器函数为 s 7 s 2 8 ， 其中s 代表时间变化 量 ，为加快仿真过程将补偿量增加到原 比例泵输 出 流量的 l o o ％ 实际中 ，由于 比例泵的排量和转速限 制，补偿量与原比例泵的输出流量之和小于或等于 比例泵的最大输出流量 。 如图 1 所示 在第 0 ． 3 S x 两 侧液压缸的位置差达 0 ． 8 m m时， 开始对操作侧比例 泵进行补偿 ； 当两侧液压缸 的位移差小于 0 ． 8 mm时 又取消了补偿 。 如此反复地加减补偿 ， 造成操作侧液 压缸和非操作侧液压缸之间的位移差围绕临界设定 值上下波动。图 2 、 图 3分别是由于补偿量 的反复增 加 一去除，使操作侧液压缸 的速度和拉力 围绕非操 作侧液压缸的速度和拉力上下波动的情形 。 登 时间 ／ s 图 1 采用 比例泵补偿时两侧液压缸的位移仿真 曲线 毫 萋 时 间 ／ s 图 2采用 比例泵补偿时两侧液压缸的速度仿真 曲线 墨 姜 墨 时 l 司 ／ s 图 3 采用 比例 泵补偿时两侧 液压缸 的拉 力仿真 曲线 通过 H y P n e u软件进行仿真复合控制的过程 中， 当两侧液压缸位 置差为 0 ． 0 9 mmAX m 0 ． 8 mm时 ， 以伺服阀提供基本流量。采用伺服阀进行流量补偿 时两侧液压缸 操作侧和非操作侧 的位移 、 速度 、 拉 力仿真曲线如下页图 4 一 图 6所示 。伺服 阀控制液 压缸 回路的控制器 函数 为 s 8 s 2 5 ， 为加快 仿 真 过程 将 补偿 量 增加 到 原伺 服 阀输 出流量 的 3 0 0 ％ 实际中， 由于伺服阀的流量限制 ， 补偿量与原 伺服阀输出流量之和小于或等于伺服阀的最大输出 流量 。如图 4所示 在第 0 ． 4 S 、 两侧液压缸 的位置 差达 O ． O 9 mm时， 开始对操作侧 比例泵进行补偿 ； 当 山西 冶 金 E- ma i l s x v i b i b 1 2 6 ． c o m 第 3 9卷 两侧液压 缸的位移 差小于 0 ． 0 9 m m 时又取消 了补 偿 。 由于操作侧液压缸位移 曲线的斜率突然加大 ， 对 操作侧液压缸的反复补偿使操作侧液压缸与非操作 侧液压缸 的位移差值 围绕补偿设定值上下波动 ， 该 值等于所设定的采用伺服 阀进行补偿 的最小临界参 数值。 图 5中非操作侧液压缸 的速度一直保持恒定 ， 补偿操作侧液压缸 的速度大约在 0 ． 4 S 时突然变大 ， 图 6中两侧拉力的变化与图 5类似田 ] 。 图 4 采 用伺服 阀补偿 时两侧液压缸 的位移仿真 曲线 时 间 ／ s 图 5 采用伺服 阀补偿时两侧液压缸的速度仿真 曲线 - 霜 世 时 1 日 J ／ s 图 6 采用伺服 阀补偿时两侧液压缸的拉力仿真 曲线 图 7 一 图 9是 3 0 MN拉伸矫直机在 比例泵 伺 服 阀控制液压缸的复合控制下的生产现场实时采集 的操作侧和非操作侧液压缸 的位移 、速度 、拉力 曲 线 。 拉伸过程 中以在规定时间的间隔 内， 液压缸按给 定速度应行走的位移为基准 ，分别对操作侧液压缸 或非操作侧液压缸 的位移进行跟踪。当其中一侧液 压缸与基准位移 的差值 为 A X m 1 m m时 ，以比例泵 提供基本流量 、 采用伺服阀进行补偿 ， 补偿量为伺服 阀最大输 出流量 的 1 0 ％～8 5 ％；当其 中一侧液压缸 与基准位移的差值 1 m mA X m 3 I T l m时停止补偿 ， 进行单侧纠偏。复合控制 中泵控缸 回路和阀控缸 回路的控制器函数均为 s 8 s 2 5 ／ s ， 两者稍有不同。整个拉伸过程约从 5 m i n 1 4 S 时 开始到 6 rai n 2 7 S 结束 ， 经过板带 弹性变形 拉力逐 渐增加 一板带塑性变形 拉力基本保持不变 两个 阶段 [ 7 ] 。如图 7所示 ， 通过不断 的补偿 ， 两主缸 的位 移基本保持在 同一直线上。图 8出现了与图 2 、 图 5 783 5 ．3 7 8 3 5 6 r 2 5 6 7 黧73．球4 3 573． 40 } 2 0 ．∞00153 O濞 3 l53 o0} ⋯ ～ 9 4 2 ．8 1 2 9 4 2 8 0 l 1 0 0 0 7 3 2 6 0 | ．2 7 3 2 6 0 }1 5 O 0 5 2 2 2 5 2 2 4 0 }1 0 0 0 312 2 _2 3 1 2 2 0 }一 5 0 0 6 81蒲 1 嘲 681 60 1 研 } 。。 ” 4 7 1 4 0 } 1 4 7 1 4 0 卜2 0 0 0 2 6 1 2 1 2 6 1 2 0} 一 2 5 0 0 051 0 ．1 0 5 1 ． 0 0 } 一 3 0 0 0 840 0叶 84O 80 }一35 00 捌420 ．4 420．4蜓0 1 器 踔 0 0 0 L o o 0 L 一 5 0 O 0 75 6 71 72 O o0 6 7 5 0 0 63 0 00 58 5 o0 54 0 o0 4 95 I M 】 4 5 0 o 0 4 0S 00 3 60 00 3l 5 o0 2 7 0 o o 2 2 5 0 0 1 8 0 00 l 3 5 00 90 oo 45 00 0 00 1 8 0 5 07 18 05 2 5 I 8 05 4 4 1 8 0 6 03 I 8 0 6 2 2 1 一操作侧主缸的位移； 2 一非操作侧主缸的位移； 3 一两缸的 位置差； 4 一板材的延伸量 图 7 实时采 集的液压缸位移 一时间 曲线 纵坐标 单位 mm 1 一操作侧速度； 2 一非操作侧速度 图8 实时采集的液压缸速度 一时间曲线 纵坐标单位 m／ s 蜊 扣伸 拉仲 1 l J 1 46 42, 22 9 0 8 4 6 2 1 7 0 2 0 8 C , 2 0 4 9 5 7 O 1 9 2 8 93 2 1 7 9 8 2 9 4 1 6 6 31 9 0 64 2 5 5 2 睥 5l I 91 4 3 8 1 27 25 6 3 8 l 2 0 O 0 L 0 1 m总拉力； 2 一操作侧拉力； 3 一非操作侧拉力； 4 一操作侧与 非操作侧拉力的差值 图 9实时采集的主缸拉力 一时间 曲线 纵坐标单位 N 4 6 8 O 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 O 哪 ；鱼 Ⅲ 蜥 Ⅲ琊 ∞。 2 0 1 6年第 3 期 张强， 等 液压系统复合控制的仿真和应用 略有不 同的两侧液压缸速度相互交替延伸的速度 一 时间曲线 。这是因为当非操作侧液压缸 的位移与基 准位移的差值A X ≥l m m时， 通过伺服阀对非操作 侧液压缸进行流量补偿 ， 随着补偿 时间的加长 ， 当该 差值 A X m I m m时 ，伺服阀停止对非操作侧液压缸 的流量补偿 ； 同理 ， 当操作侧液压缸的位移与基准位 移的差值 A X ≥1 mm时 ， 通过伺服 阀对操作侧液压 缸进行流量补偿， 当该差值 A X m 1 m m时， 伺服阀停 止对操作侧液压缸的流量补偿。由于本系统中伺服 阀的进口压力恒定，出口压力随拉伸负载变化且大 于伺服阀的额定压降，故伺服阀的实际流量大于样 本 中所给伺服阀的额定流量 ，通过伺服 阀进行补偿 时的补偿量大，整个复合控制系统的控制精度稍有 降低 。如果采用比例 或伺服 泵保证伺服阀进出 口的压差恒定 ，则可得到较高且 固定 的复合控制精 度 。 如图 9所示 ， 在拉伸过程中两液压缸 的拉力差逐 步减小 ， 总拉力经一段小幅振荡后稳定增长 ， 最后达 到固定拉力值 。 4结论 通过对拉伸矫直机主液压系统复合控制 的仿 真 曲线与实际采集数据曲线的比较和分析可以看出， 采用 H y P n e u软件仿真出的结果能较为准确地反映 系统 的实际运行情况 。仿真结果表明 1 通过计算比例泵和伺服阀的最大、 最小补偿 量和闭环响应时间，可找出系统能达到的最大控制 精度。 2 当比例泵和伺服 阀的补偿 临界值与补偿量相 匹配时， 可有效提高复合控制中系统运行的平稳性。 3 采用对两液压缸位移减量分别加减 的补偿方 式 ， 可大幅提高复合控制 的闭环响应速度 。 参考文献 [ 1 ] N o a h D ． Ma n r i n g ． F l u i d P o w e r P u m p s a n d Mo t o r s a n a l y s i s , d e s i g n ．a n d c o n tr o l [ M ] ．N e wYo r k mc a w h i l l P r o f e s s i o n a l ， 2 0 1 3 2 5 1 2 6 6 ． [ 2 ] E C F i t c h ， I T Ha n g ． Hy d r a u l i c S y s t e m Mo d e l i n g a n d S i m u l a t i o n [ M ] ． Ba r Dy n e ， I n c ． ， 2 01 0 1 8 1 1 8 8 ． [ 3 ] E C F i t c h ， I T Ho n g ． H y d r a u l i c C o mp o n e n t D e s i gn a n d S e l e c t i o n [ M ] ． Ba r Dy n e ， I n e ． ， 2 01 0 1 3 1 -1 8 3 ． [ 4 ] 刘建 忠 ， 吴百海 ， 吴 小洪 ， 等． 泵控 与 阀控 补偿 的高精度 同步 系 统的探讨 [ J ] ．机 械开发 ， 1 9 9 8 4 1 5 1 7 ． [ 5 ] 曹泽生 ， 仲悦， 王效亮 ， 等． 液压作动系统阀泵联合控制技术研 究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 3 2 2 8 3 2 ． [ 6 ] 陈磊． 大规格铝合金板材拉伸矫直仿真与实验研究[ D ] ． 长沙 中 南大学 ， 2 0 1 2 ． [ 7 ] 辜蕾钢 ， 汪凌云， 刘饶川． 铝合金厚板预拉伸过程分析 [ J ] ． 轻合 金加工技术 ， 2 0 0 4， 3 2 4 2 7 2 9 ． [ 8 ] 杨桂芳 ． 6 0 0 0T铝板拉 伸机液 压设计分 析 [ J ] ． 中国机械 ， 2 0 1 5 2 2 3 ． 编辑 贺焱 S i mu l a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n o f Co mp o u n d Co n t r o l o f Hy dr a u l i c Sy s t e m Z HANG Qi a n g ， MA Mi n C h i n e s e Na t i o n a l He a v y Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 3 2 Ab s t r a c t T a k i n g c o mp o u n d c o n t r o l o f ma i n h y d r a u l i c s y s t e m o f a t e n s i o n s lx a i g h t e n i n g ma c h i n e d e s i g n e d a n d ma n u lac mr e d i n p r a c t i c e a s a n e x a mp l e ，a n d c o mb i n e d wi t h t h e a c t u a l p a r a me t e r s o f ma i n c o mp o n e n t s i n main h y d r a u l i c s y s t e m，t h i s p a p e r s i mula t e s t h e r e b u i l d i n g s y s t e m a n d i t s c o n t r o l p a r t i n Hy P n e u ．T h e c o mp a r i s o n o f s i mu l a ti o n r e s u l t s w i th t h e a c t u a l d a t a c u r v e s h o ws t h a t t h e r e s u l t s o f Hy P n e u s o f t w are s i mu lat i o n c o u l d a c c u r a t e l y r e f l e c t the a c tual o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m，a n d t h i s r e s ult i n d i c a t e s the d i r e c t i o n o f the d e s i gn an d d e b u g g i n g o f the c o mp o u n d c o n t rol s y s t e m w h i c h i s s i mi l a r t o the p u mp c o n t r o l c y l i n d e r a n d v alv e c o n t r o l c y l i n d e r ． Ke y wor ds c o mpo un d c o nt rol ， Hy Pn e u，s i mu l a t i o n